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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.41 No.5 pp.459-468
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2020.41.5.459

Study on the Local Weather Characteristics using Observation Data at the Boseong Tall Tower

Sung Eun Hwang*, Young Tae Lee, Seung Sook Shin, Ki Hoon Kim
Operational Systems Development Department, National Institute Meteorological Sciences, Jeju 63568, Korea
*Corresponding author: icewoolf@korea.kr Tel: +82-64-780-6609
August 31, 2020 September 13, 2020 October 23, 2020

Abstract


In this study, the selection criteria for the occurrence of sea breezes in the Boseong area during the spring season (March-May) of 2016-2017 were prepared for the analysis of vertical weather characteristics. For this purpose, wind speed values were determined using the measured precipitation, cloud volume, wind direction, the difference between the ground and sea temperature, a wind Profiler at an altitude of 1 km, and numerical model data. The dates of the sea breezes in Boseong were classified according to the selection criteria, and the spatial and temporal characteristics of the sea breezes were identified by analyzing the time and altitude of the sea breeze and the size of the wind speed. Sea breezes occurred 23 out of 183 days (12%), and in Boseong, at least 1.2 out of 10 spring days exhibited sea breezes. Sea winds ranged from 1200 to 1800 LST, mainly from ground to 700 m altitude during the day. In addition, the maximum wind speed averaged 4.9 m s−1 , at an altitude of 40 m at 1600 LST, showing relatively lower values than those in a preceding study. This seems to be owing to the reduction in wind speed due to the complexity of the coastal terrain.



보성 종합기상탑 자료를 활용한 국지기상 특성 연구

황 성은*, 이 영태, 신 승숙, 김 기훈
국립기상과학원 현업운영개발부, 63568, 제주특별자치도 서귀포시 서호북로 33

초록


본 연구에서는 2016-2017년 봄철(3-5월) 동안 보성 지역에서의 해풍 발생 시 연직 기상 특성을 분석하기 위해, 해풍 발생에 대한 선정 기준을 마련하였다. 이를 위해 지상에서 측정된 강수량, 운량, 풍향과 지상과 해상 기온의 차이, 1km 고도에서의 윈드프로파일러 및 수치모델 자료를 이용한 풍속 값이 사용되었다. 선정 기준에 따라 보성지역에서의 해풍일을 분류하였고, 해풍 발생 시간 및 고도와 풍속의 크기 분석을 통해 해풍의 시공간적 특성을 파악하였다. 해풍의 발생일은 총 183일 중 23일(12%)로서, 보성지역의 경우 봄철 10일 중 최소 1.2일은 해풍이 나타났다. 해풍은 1200 LST부터 1800 LST로 낮 시간에 지상에서부터 700 m 고도까지 주로 발생하였다. 또한, 최대 풍속은 평균 4.9 m s−1로 1600 LST에 40 m 고도에서 나타나, 선행연구보다 비교적 낮은 값을 보였다. 이는 해안지형이 복잡하여 지형 효과에 따른 풍속 감소로 인한 것으로 보인다.



    Korea Meteorological Administration
    KMA2018-00221

    서 론

    해풍은 해무나 스모그, 해안지역의 돌풍, 내륙지역 건조현상 등 다양한 국지기상현상이 발생하는 원인이 될 수 있다. 또한 해풍이 지속적으로 발생할 경우, 해풍에 포함된 바람과 염분 등에 의해 해안지역의 기후와 생태계에 영향을 주기 때문에(Seo et al., 2001;NamGung et al., 2005), 이를 연구하는 것은 중요하다.

    해풍과 관련한 과거 연구는 크게 수치모델 자료를 활용한 연구와 관측자료를 활용한 연구로 분류될 수 있다. 수치모델 자료를 활용한 연구는 관측자료와 수 치모델을 비교하여 영향을 확인하거나, 수치모델의 지면 계수와 지형을 달리하여 해륙풍의 영향을 확인 또는 수치모델을 활용하여 미세먼지 확산에 해풍의 영향을 분석한 연구가 있다(Cuxart et al., 2014;Moon et al., 1990;Lee et al., 2004). 관측자료를 활 용한 연구로는 기상탑 관측 또는 도플러 라이다와 운고계 등의 원격기상관측을 통해 연직기상 자료를 활용하여 해풍에 대한 정의와 특성을 분석하였다 (Azorin-Molina et al., 2011;Iwai et al., 2011;Ferreres et al., 2013). 그러나, 기상탑 관측자료를 활 용한 연직 대기 분석에는 관측 범위의 한계가 있기 때문에 본 연구에서는 보성 종합기상탑 관측자료와 수치모델 자료를 통합하여 분석에 활용함으로써 분석 고도를 확장하였다.

    보성지역에서 발생하는 해륙풍에 관한 연구로써, Lim and Lee (2019)는 보성 표준기상관측소(Boseong Standard Weather Observatory; BSWO)의 종합기상탑 관측자료를 활용하여 해풍발생 시기와 연직 특징을 확인하였다. 이전의 해륙풍 연구는 종관풍의 영향을 포함하여 수행하였지만, 국지기상현상을 연구하는데 있어서 종관풍을 제거한 후 분석하는 것은 매우 중 요하다(Bechtold et al., 1991;Arritt 1993;Park and Yoon, 1989;Lim and Lee, 1994;Lee and Min, 1996). 그러한 이유로 본 연구에서는 종관풍의 영향 을 받은 날을 제거하고 순수하게 해풍의 영향이 있 는 날을 선정하여 기상특성을 분석하였다.

    해풍분석을 위한 관측자료는 보성 종합기상탑 관측 자료를 사용하였다. 보성 종합기상탑은 보성 표준기 상관측소 내에 위치한다. 보성 표준기상관측소는 복 잡한 해안과 내륙에 산이 인접한 반분지 형태의 지 형 때문에 해륙풍이 빈번히 발생하므로, 해륙풍을 연 구하는데 최적의 지점이라고 할 수 있다. 또한, 해륙 풍 중 육풍은 바람이 약하고 관측시간이 짧아 그 특 징을 확인하기 힘든 반면, 낮에 관측되는 해풍은 비 교적 바람이 강하고 지속시간이 길어 관측이 용이함 으로 본 연구에서는 해풍의 특징에 대해서만 분석하 였다. 본 연구에서는 봄철 종관풍이 강한 날을 제거 하여 해풍일을 분류하는 방법을 제시하고, 보성 표준 기상관측소에서 관측된 자료를 활용하여 해풍에 대한 구조적 특성을 파악하고자 한다.

    자료 및 분석방법

    보성 종합기상탑은 전라남도 보성군 득량면 보성 표준기상관측소(Fig. 1) 내(위도 34.45° , 경도 127.12° , 고도 3 m)에 위치하고 있으며, 높이는 307 m인 국내 유일 고층기상관측탑이다. 종합기상탑은 총 11개 층 에서(10, 20, 40, 60, 80, 100, 140, 180, 220, 260, 300 m) 온도, 습도, 풍향, 풍속을 1분 간격으로 관측 하고 있다. 종합기상탑 주변 1.5 km 이내는 논으로 구성되어 있으며 7 km 거리에 초암산(576 m)을 중심 으로 북서쪽에서 북동쪽으로 산맥이 뻗어 있고 남동 쪽 1.5 km 거리에 해안(득량만)이 위치하고 있다(NIMS, 2016). 해풍일 선정 기간은 2016년 3월 1일부터 5월 31일까지와 2017년 3월 1일부터 5월 31일까지이다.

    해륙풍에 대한 연구는 다양하게 진행 되었으나, 해 풍과 육풍의 분류와 해풍일 선별에 대해서는 해안 방향에서 부는 바람 외에는 명확한 기준이 없는 실 정이다. 본 연구에서는 같은 지역을 연구한 Lim and Lee (2019)의 분류 방법을 참고하여 Fig. 2와 같이 5 단계의 기준을 세워 해풍일을 분류하였다.

    본 연구에서 해풍일 분류에 사용된 자료는 보성군 종관기상관측장비(ASOS, 지점번호 258) 강수량계, 보성 표준기상관측소 운고계(Vaisala; CL51), 종합기 상탑 기본관측 풍속(Thies CLIMA; UA-2D), 여수공 항 연직바람관측장비(Windprofiler, 지점번호 47167), 거문도 기상관측 부이(Buoy, 지점번호 22103)에서 수 집한 관측값과 국지예측시스템(Local Data Assimilation and Prediction System; LDAPS) 분석장 값이다.

    종관 또는 전선의 영향을 배제하기 위해, 첫 번째 와 두 번째 기준을 설정하여 보성군 ASOS 관측값을 기준으로 강수가 없고 보성 표준기상관측소 운고계의 운량이 4 이하인 날을 분류하였다. 세 번째 기준은 해풍일 선별의 가장 중요한 요인인 풍향으로, 해풍의 방향인 남풍(해안 방향 풍향; 90° -240° )이 2시간 이상 지속된 날을 분류 하였다. 네 번째 기준은 해양과 육 지의 차등가열에 의한 국지순환의 영향이 활발한 날 을 분류하기 위한 방법으로써, 해수면의 온도와 지표면 의 기온차이, 즉 해기차(Air-Sea Temperature Difference; ASTD)가 0 °C 이상인 날을 분류하였다. 다섯 번째 기준은 종관풍의 영향이 없는 날을 선정하기 위한 기준으로써 두 단계로 나뉜다. 먼저, 관측지에서 가 장 가까운 연직관측지점인 여수공항의 연직바람관측 장비 관측자료를 사용하였다. 연직바람관측장비의 고 도 약 1 km에서 평균풍속이 5 m s−1 미만인 날을 분 류하였다(Iwai et al., 2011). 마지막으로, 연직바람관 측장비를 이용한 분류결과를 보정하기 위해 보성 지 점에서 가장 가까운 국지예측시스템 격자자료를 추출 하여, 17번째 층(1013 m) 평균풍속 자료가 5 m s−1 미 만인 날을 분류함으로써 최종 해풍일을 선정하였다.

    해풍일의 하부대기경계층 연직 기상요소 분석을 위 해서, 300 m 고도까지는 종합기상탑 자료(기온, 습도, 풍향, 풍속)를 사용하였으며, 300 m 보다 높은 고도 는 국지예측시스템 분석 값의 연직 바람성분 자료를 사용하였다(KMA, 2019). 국지예측시스템의 300 m 이상 고도 자료의 정확도를 확인하기 위해 종합기상 탑 60 m와 180 m 고도의 관측자료와 국지예측시스템 의 바람성분 자료를 비교분석 함으로써 통계적으로 검증하였다. 연직 일변화 분석을 위해 기온, 습도, 풍 속은 평균값, 풍향은 중앙값을 각각 사용하였다.

    결 과

    해풍 발생일 선정 기준(Fig. 2)에 따라 5단계를 거 쳐 2016년과 2017년의 봄철 해풍일을 선정 하였다. 2016년 봄철(3-5월)의 무강수일은 총 92일 중 56일 이었으며, 운량이 4 이하(맑은날)인 날은 47일이었다. 이중 남풍이 관측된 날은 26일이었고, 해기차(ASTD) 는 모두 양의 값이었다. 여수 공항 연직바람관측장비 의 상공 약 1 km 에서 풍속이 5 m s−1 미만인 날은 16일이었으며, 국지예측시스템 1013 m 고도 자료에서 5ms−1 이상인 날 6일을 제외하여 최종적인 해풍발생 일은 10일이 선정되었다.

    2017년 봄철의 무강수일은 총 92일 중 71일 이었 으며, 운량이 4이하인 날은 67일이었다. 이중 남풍이 관측된 날은 54일이었고, 해기차(ASTD)는 모두 양의 값이었다. 여수 공항 연직바람관측장비 상공 약 1 km 에서 풍속이 5 m s−1 이상인 날은 없었으며, 국지예측 시스템 1013 m 고도 자료에서 5 m s−1 이상인 날을 제외하여 해풍발생일 총 13일을 선정하였다(Table 2). 선정된 해풍일의 해기차는 2016년에 평균 5.6 °C, 최 고 12.8 °C, 2017년에 평균 2.5 °C, 최고 7.7 °C로 나타 났다. 이와 같이 관측자료를 활용하여 선정된 해풍일 (2016년 10일, 2017년 13일)에 대하여 하부대기경계 층의 기상요소에 대한 평균적인 시계열과 연직변화를 분석하여 해풍의 특성을 확인하였다.

    해풍 발생일의 하부대기경계층 기상요소에 대한 시계열 분석

    Fig. 3은 2016년과 2017년의 봄철(3-5월) 해풍일 선정기간의 기온, 습도, 풍향, 풍속의 평균 일변화를 나타낸 그래프이고, Table 3는 해풍일의 평균기온과 최고기온, 최저기온을 나타낸 표이다. 해풍일의 평균 기온은 13.4 °C로 보성 표준기상관측소 2016-2017년 봄철 평균(13.7 °C)보다 유사하게 나타났으며, 일교차 는 14.9 °C로 2016-2017년 봄철 평균일교차(12.4 °C)보 다 2.5 °C 크게 나타났다. 평균습도는 49.7%로 보성 표준기상관측소 2년 봄철 평균(56.2%)보다 낮았는데, 이는 해풍일을 선정 할 때 강수일을 제외하였기 때 문에 나타난 결과로 사료된다. 해풍일의 평균풍속은 2.9 m s−1 , 최고풍속은 12.8 m s−1이었으며, 2년 봄철 평균풍속(4.1 m s−1 ) 보다 낮게 나타났다. 표준기상관 측소 관측자료 연간 운영보고서(NIMS, 2019) 3년 평 균풍속 자료와 비교한 결과 풍속은 모든 고도에서 비슷하였으나, 최고풍속이 연간 운영보고서는 300 m 에서, 해풍일은 40 m에서 나타나는 차이를 보였다. 해풍일의 풍향빈도 분석 결과는 연간운영보고서 3년 관측결과 주풍향(북서풍)과 유사하게 서북서풍(17.3%) 이 주풍으로 나타났으며, 서풍(9.6%), 북서풍(9.3%) 순으로 확인되었다. 또한, 바다 방향에서 불어오는 남풍(해풍; 9.2%)이 1000-1800 LST에 모든 층에서 공통적으로 관측되었다.

    평균 하부대기경계층 연직 기상 변화 특성분석

    Fig. 4a-d는 2016년과 2017년 봄철 해풍일 선정기 간동안의 기온 a, 습도 b, 풍속 c, 풍향 d의 평균 연 직변화를 3시간 간격으로 나타낸 그래프이다. 기온의 연직 변화를 살펴보면 고도 10 m와 260 m에서 최대 4.0 °C 기온 차이가 발생했으며, 2200-0700 LST동안 지표냉각에 의한 야간기온 역전현상이 나타났다(Fig. 4a). 습도 연직변화는 기온의 시간별 연직변화에 따 라 변하였으며, 1000-1600 LST에 습도가 낮아(40% 이하) 연직적으로 차이를 보이지 않았다(Fig. 4b). 1900 LST에 습도가 크게 증가하는 것은 낮 시간 동 안 해풍에 의해 유입된 수증기가 높은 기온으로 인 해 상대습도에 영향을 미치지 못 하다가 기온이 떨 어지는 1900 LST에 습도가 높게 나타난 것으로 판 단된다. 풍속 연직변화는 1600 LST에 40-60 m를 중 심으로 비교적 강한 풍속(평균 4.9 m s−1 )이 나타났으 며(Fig. 4c), 풍향의 연직변화 그래프에서는 남풍계열 (140° -180°)의 해풍을 확인 할 수 있었다(Fig. 4d). 0400 LST에 220 m부터 남풍계열로 변화하였으며, 1600 LST에 모든 고도에서 남풍이 관측된 후 1900 LST에 20-100 m부터 북서풍으로 변화 하는 것을 확 인 할 수 있었다(Fig. 4d).

    Fig. 4e는 2016년과 2017년 봄철 해풍일 선정기간 의 바람성분(u, v)을 벡터 평균하여 나타낸 것이다. 종합기상탑의 바람성분 연직변화를 확인한 결과, 1200 LST 부터 남풍계열의 해풍이 확인되어 1800 LST 까지 유지 되는 것을 확인하였다. 0900 LST에 180-220 m 고도를 기준으로 풍속이 약해지며, 풍향이 서풍계열에서 남풍계열로 변화가 나타나는 것으로 보 아 육풍에서 해풍으로 바뀌는 시점인 것을 알 수 있 었다.

    종합기상탑 관측자료와 국지예측시스템의 하부대 기경계층 연직 기상 변화 비교

    종합기상탑의 최대 관측고도 인 300 m 보다 높은 고도에서 국지예측시스템 자료를 활용하기 위해서, 두 자료의 상관성을 분석하였다. 종합기상탑과 국지 예측시스템의 동일관측 고도인 60 m와 180 m의 바람 성분에 대해 통계분석 한 결과, 상관분석(Correlation) 0.9 이상, 평균제곱근오차(Root Mean Square Error; RMSE) 1.5 이하로 높은 수준의 유사도를 보였다 (Table 4). 풍속이 약할 경우를 제외하고 종합기상탑 의 관측결과와 국지예측시스템 결과가 비교적 유사하 다고 판단되어 종합기상탑 관측고도 300 m 이상의 바람 연직변화는 국지예측시스템 자료를 활용하였다.

    또한 표준기상관측소 관측자료 연간 운영보고서 (NIMS, 2019)에서 수치모델결과를 고도별 내삽하여 종합기상탑과 비교한 결과 유사하게 관측 되는 것을 확인 하였다. Fig. 5는 해풍일의 종합기상탑과 국지 예측시스템을 비교한 그래프이다. Fig. 5a는 2016년 과 2017년 해풍일 선정 기간 동안 평균한 국지예측 시스템의 바람 벡터를 약 2 km 고도까지 보여준다. 국지예측시스템에서의 해풍 유입시간 또한 종합기상 탑과 유사하게 1200 LST에 시작되어 1500 LST에 뚜렷한 남풍이 나타난 뒤 1800 LST 까지 유지 되는 것을 확인할 수 있었다. 해풍의 영향고도는 약 700m 로 나타났으며, 1 km 이상의 고도에서는 편서풍의 영 향을 볼 수 있었다. Fig. 5b는 2016년과 2017년 해풍 선정 기간 동안 평균한 국지예측시스템과 종합기상탑 의 바람 벡터를 300 m 고도까지 비교한 그래프이다.

    국지예측시스템 자료와 종합기상탑 관측자료의 기 온, 습도, 상당온위, 바람성분을 연직으로 비교한 결 과(Fig. 6), 국지예측시스템이 과소모의 하는 경향이 있으나 낮은 고도(10-20 m)에서의 차이를 제외하면 모든 고도에서 유사하게 나타났다. 본 연구에서는 종 합기상탑 관측자료를 활용하여 낮은 고도(300 m 이 하) 부분을 분석하였기 때문에 수치모델 자료만을 이 용해서 분석한 결과보다 신뢰도가 높다고 사료된다.

    요약 및 고찰

    본 연구에서는 보성지역에서 나타나는 해풍에 대한 정량적 특성을 파악하고자, 2년(2016-2017년)동안 보 성 표준기상관측소 및 인근의 관측자료를 활용하여 종관풍의 영향 배제를 포함한 5단계의 분류 방법을 통해 총 184일 중 해풍일로 23일을 선정하고 연직 기상요소의 평균 일변화를 분석하였다.

    해풍일에는 일교차(평균 9.5 °C)가 크고 야간기온역 전 현상이 나타났으며, 평균적으로 1200 LST부터 1800 LST까지 해풍이 관측되었다. 국지예측시스템과 종합기상탑 자료를 활용하여 분석한 결과 약 700 m 까지 남풍계열인 해풍이 확인되었으며, 1600 LST에 40 m 고도에서 남풍계열의 비교적 강한 풍속(평균 4.9 m s−1 )이 나타났다.

    종합기상탑과 국지예측시스템 비교결과 국지예측시 스템에서 풍속을 소폭 과소모의 하는 경향을 보였으 나 대부분 유사하게 나타났다. 단, 낮은 고도에서는 다소 차이가 나타나므로 낮은 고도를 분석하기 위해 서는 관측자료가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구의 결과 우리나라 남해안 지역에서의 해풍 발생 고도 및 시간을 정량적으로 도출할 수 있었고, 이는 각 지 역마다 나타나는 국지적인 기상현상을 예측하는 데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

    선행연구 중 Iwai et al. (2011)의 연구결과에서는 해풍의 최대 고도가 약 1.2 km이었으며, 최대 풍속이 400-540 m 부근에서 관측되었으나, 본 연구에서는 비 교적 낮은 700 m에서 최대 고도가 나타났으며, 최대 풍속 또한 40 m 부근에서 관측되었다. 이는 고흥반도 등 보성 표준기상관측소 부근의 복잡한 해안지형의 효과로 추정되나 명확한 원인을 확인하기 위해서는 장기간 자료 분석과 타 지점의 연구가 추가적으로 필요해 보인다. 또한, 해풍 발생 기준과 분류에 대한 연구가 많이 이루어지고 있지 않기 때문에, 낮은 고 도에서 강한 풍속이 나타나는 하층제트 현상(Low Level Jet) 등과 명확한 구분을 하기 위한 연구가 더 필요한 것으로 사료 된다.

    사 사

    이 연구는 기상청 국립기상과학원표준기상관측 및 활용연구(KMA2018-00221) 의 지원으로 수행되 었습니다. 관측자료 생산을 위해 힘써주신 보성 표준 기상관측소 직원여러분께 감사드립니다. 마지막으로 논문의 완성도를 높이기 위해 세심한 지적과 건설적 인 조언을 해주신 익명의 심사위원께 감사드립니다.

    Figure

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    Overview and location of National Institute of Meteorological Sciences (NIMS)’ Boseong standard weather observatory (BSWO) and Boseong tall tower (BTT).

    JKESS-41-5-459_F2.gif

    Flow diagram of five filters employed in the automated sea breeze cases selection method.

    JKESS-41-5-459_F3.gif

    Diurnal variations of the (a) temperature, (b) relative humidity, (c) wind speed, and (d) wind direction on the sea breeze cases.

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    Every 3-hour vertical variations of the (a) temperature, (b) relative humidity, (c) wind speed, (d) wind direction and (e) mean wind vector on the sea breeze cases.

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    Every 3-hour vertical wind profile from (a) LDAPS and (b) both (LDAPS and BTT) on the sea breeze cases.

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    Comparison and difference between Observation (BTT) and LDAPS of the (a, b) temperature, (c, d) relative humidity, and (e, f) potential temperature on the sea breeze cases every 3-hour.

    Table

    Summary of observation data

    Number of the sea breeze cases by month in 2016 and 2017

    Climatic elements of the observation data on Boseong Tall Tower on the sea breeze cases and mean values from 2016 to 2017 at spring (3-5)

    Statistical analysis of Boseong Tall Tower and LDAPS data (60 and 180 m-height) on the sea breeze cases (2016 and 2017)

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